48
§ 2. Классификация микропроцессоров
Микропроцессоры можно классифицировать (рис. 3.5) по:
принципу реализации (RISC, CISC, MISC, VLIW),
внутренней структуре (гарвардская, фон-Неймана),
системе команд (аккумуляторные, с регистрами общего назначения).
Рис. 3.5. Классификация микропроцессоров
CISC-процессоры (Complex Instruction Set Computing) – вычисления со сложным набором команд. Процессорная архитектура, основанная на усложнѐнном наборе команд. Типичными представителями CISC является семейство микропроцессоров Intel x86 (хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд). Характеризуется следующим набором свойств:
нефиксированное значение длины команды;
исполнение операций, таких как загрузка в память, арифметические действия кодируется в одной инструкции;
небольшое число регистров, каждый из которых выполняет строго определенную функцию.
49
Типичными представителями являются процессоры на основе x86 команд
(исключая современные Intel Pentium 4, Pentium D, Core, AMD Athlon, Phenom,
которые являются гибридными).
RISC-процессоры (Reduced Instruction Set Computing) – вычисления с сокращѐнным набором команд. Архитектура процессоров, построенная на основе сокращѐнного набора команд. Характерные особенности RISC-
процессоров:
фиксированная длина машинных инструкций (например, 32 бита) и
простой формат команды;
одна инструкция выполняет только одну операцию с памятью – чтение или запись. Операции вида «прочитать-изменить-записать» отсутствуют;
большое количество регистров общего назначения (32 и более).
Это философия проектирования процессоров, которая во главу ставит следующий принцип: более компактные и простые инструкции выполняются быстрее. Простая архитектура позволяет как удешевить процессор, так и поднять тактовую частоту. Многие ранние RISC-процессоры даже не имели команд умножения и деления. Идея создания RISC процессоров пришла после того, как в 1970-х годах ученые из IBM обнаружили, что многие из функциональных особенностей традиционных ЦПУ игнорировались программистами. Отчасти это был побочный эффект сложности компиляторов.
В то время компиляторы могли использовать лишь часть из набора команд процессора. Следующее открытие заключалось в том, что, поскольку некоторые сложные операции использовались редко, они, как правило, были медленнее, чем те же действия, выполняемые набором простых команд. Это происходило из-за того, что создатели процессоров тратили гораздо меньше времени на улучшение сложных команд, чем на улучшение простых. Первые
RISС-процессоры были разработаны в начале 1980-х годов в Стэнфордском и Калифорнийском университетах США. Они выполняли небольшой (50 − 100)
50
набор команд, тогда как обычные CISC выполняли 100 – 200.
MISC-процессоры (Minimum Instruction Set Computing) – вычисления с минимальным набором команд. В пылу борьбы за максимальное быстродействие RISC догнал и перегнал многие CISC процессоры по сложности. Архитектура MISC строится на стековой вычислительной модели с ограниченным числом команд (примерно 20-30 команд). Увеличение разрядности процессоров привело к идее укладки нескольких команд в одно большое слово. Это позволило использовать возросшую производительность компьютера и его возможность обрабатывать одновременно несколько потоков данных.
VLIW-процессоры (Very Long Instruction Word) – сверхдлинное командное слово. Архитектура процессоров с явно выраженным параллелизмом вычислений, заложенным в систему команд процессора. Ключевым отличием от суперскалярных CISC-процессоров является то, что для них загрузкой исполнительных устройств занимается часть процессора (планировщик), на что отводится достаточно малое время, в то время как загрузкой вычислительных устройств для VLIW-процессора занимается компилятор, на что отводится существенно больше времени. Примером VLIW-процессора является процессор
Intel Itanium.
Наиболее распространѐнная архитектура современных настольных,
серверных и мобильных процессоров построена по архитектуре Intel x86 (или х86-64 в случае 64-разрядных процессоров). Формально все х86-процессоры являлись CISC-процессорами, однако новые процессоры, начиная с Intel486DX,
являются CISC-процессорами с RISC-ядром. Они непосредственно перед исполнением преобразуют CISC-инструкции процессоров x86 в более простой набор внутренних инструкций RISC.В микропроцессор встраивается аппаратный транслятор, превращающий команды x86 в команды внутреннего
RISC-процессора. При этом одна команда x86 может порождать до 4 RISC-
команд. Исполнение команд происходит на суперскалярном конвейере одновременно по несколько штук. Это потребовалось для увеличения скорости